半导体工艺可靠性

　　半导体制造作为微电子与集成电路行业中非常重要的环节，其工艺可靠性是决定芯片性能的关键。本书详细描述和分析了半导体器件制造中的可靠性和认定，并讨论了基本的物理和理论。本书涵盖了初始规范定义、测试结构设计、测试结构数据分析，以及工艺的最终认定，是一本实用的、全面的指南，提供了验证前端器件和后端互连的测试结构设计的实际范例。本书适合从事半导体制造及可靠性方面的工程师与研究人员阅读，也可作为高等院校微电子等相关专业高年级本科生和研究生的教材和参考书。

　　甘正浩（Gan Zhenghao），博士，中国上海中芯国际半导体制造有限公司（SMIC）技术开发中心可靠性高级经理。他在半导体可靠性改进、测试/表征、问题解决、项目管理、建模和分析的研发方面拥有丰富的技术和管理经验。Gan博士出版了一本书并发表了50多篇研究论文，同时拥有60多项专利。

译者序
第1部分概述
第1章引言3
1.1背景3
1.2工艺可靠性项4
1.2.1FEOL4
1.2.2BEOL6
1.3工艺相关的可靠性8
1.4可靠性评估方法9
1.5本书的组织结构10
参考文献11
第2章器件物理基础14
2.1基本材料特性介绍14
2.1.1导体、半导体和绝缘体14
2.1.2电子和空穴能量16
2.1.3半导体中的碰撞与能量交换17
2.2PN结18
2.2.1PN结能带18
2.2.2PN结偏置19
2.2.3结电容20
2.3金属-氧化物-半导体电容的物理基础21
2.3.1金属-氧化物-半导体电容的能带21
2.3.2金属-氧化物-半导体电容的电容-电压曲线23
2.4金属-氧化物-半导体场效应晶体管物理特性24
2.4.1金属-氧化物-半导体场效应晶体管的电流-电压特性24
2.4.2长沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管的Vt27
2.4.3金属-氧化物-半导体场效应晶体管中的电容27
2.5金属-氧化物-半导体场效应晶体管的二阶效应29
2.5.1短沟道效应29
2.5.2宽度效应30
2.5.3栅致漏极泄漏电流31
2.5.4硼渗透32
2.5.5衬底偏置的影响33
2.6界面陷阱和氧化层陷阱33
参考文献36
第3章金属-氧化物-半导体制造工艺流程37
3.1前道工艺37
3.2Cu双大马士革后端工艺42
参考文献46
第4章可用于器件可靠性表征的测量48
4.1电容-电压测量48
4.2直流电流-电压49
4.2.1从直流电流-电压测量中提取界面陷阱52
4.2.2从直流电流-电压测量中提取氧化层陷阱54
4.3栅控二极管方法55
4.4电荷泵测量57
4.5用于界面和氧化层陷阱分离的中间带隙测量60
4.6载流子分离测量61
4.7电流-电压特性62
参考文献63
第2部分前道工艺(FEOL)
第5章热载流子注入67
5.1最大沟道电场69
5.2HCI的物理机制71
5.2.1电场驱动的CHC机制71
5.2.2能量驱动的沟道-热载流子机制：电子-电子散射73
5.2.3多重振动激发机制74
5.2.4NMOS热载流子注入机理/模型75
5.2.5PMOS热载流子注入机理/模型76
5.3热载流子注入表征方法77
5.3.1监控的器件参数77
5.3.2热载流子注入退化模型78
5.3.3寿命外推80
5.4对热载流子注入屏蔽效应的表征82
5.5热载流子注入退化饱和83
5.6温度对热载流子注入的影响84
5.7体偏置对热载流子注入的影响85
5.8结构对热载流子注入的影响85
5.8.1沟道宽度对热载流子注入的影响85
5.8.2沟道长度对热载流子注入的影响89
5.8.3补偿侧墙对热载流子注入的影响91
5.8.4栅极边缘与浅沟槽隔离边缘间距的影响94
5.9工艺对热载流子注入性能的影响95
5.9.1漏区工程95
5.9.2栅极氧化层的鲁棒性96
5.10热载流子注入认定实践100
参考文献101
第6章栅极氧化层完整性和时间相关的介质击穿108
6.1金属-氧化物-半导体结构的隧穿108
6.1.1栅极泄漏隧穿机制108
6.1.2依赖极性的Qbd和Tbd114
6.1.3栅极泄漏电流与Vbd/Tbd的关系117
6.2栅极氧化层介质击穿机理120
6.2.1本征与非本征击穿120
6.2.2随时间变化的介质击穿122
6.2.3Vbd与Tbd的相关性123
6.2.4缺陷产生模型124
6.2.5软击穿129
6.3应力诱导的泄漏电流131
6.4栅极氧化层完整性测试结构和失效分析132
6.4.1体结构132
6.4.2多晶硅边缘密集结构132
6.4.3浅沟槽-隔离-边缘密集结构133
6.4.4浅沟槽隔离拐角密集结构134
6.4.5栅极氧化层完整性失效分析135
6.5栅极氧化层时间相关介质击穿模型，寿命外推法135
6.5.1Weibull分布135
6.5.2活化能135
6.5.31/E模型、E模型、V模型和幂律模型136
6.5.4面积按比例变化140
6.6工艺对栅极氧化层完整性和时间变化的介质击穿改进的影响140
6.6.1氧化层厚度的影响140
6.6.2氮化的影响140
6.6.3氢/D2的影响142
6.6.4金属污染143
6.6.5多晶硅晶粒结构的影响144
6.6.6多晶硅剖面的影响(多晶硅基脚)145
6.6.7栅极氧化层预清洗和刻蚀的影响145
6.6.8牺牲氧化后退火环境的影响145
6.6.9无牺牲氧化层效应148
6.6.10光刻胶附着力的影响150
6.6.11铟注入的影响151
6.6.12幂律模型指数的工艺因子151
6.7工艺认定实践155
参考文献156
第7章负偏置温度不稳定性162
7.1负偏置温度不稳定性退化机制164
7.1.1反应-扩散模型164
7.1.2恢复167
7.1.3退化饱和机理168
7.2退化时间指数n，活化能Ea，电压/电场加速因子γ171
7.2.1退化时间指数n171
7.2.2活化能(Ea)172
7.2.3电压/电场加速因子γ173
7.3表征方法174
7.3.1时延(恢复)对表征的影响175
7.3.2应力-电压和应力-时间影响177
7.3.3不间断应力方法179
7.3.4体偏置对负偏置温度不稳定性的影响183
7.4为什么反型的PMOS最差186
7.5结构对负偏置温度不稳定性的影响188
7.5.1沟道长度依赖性189
7.5.2沟道宽度依赖性191
7.5.3栅极氧化层厚度相关性192
7.6工艺对负偏置温度不稳定性的影响194
7.6.1氮及其分布194
7.6.2氟掺入197
7.6.3栅极氧化层和Si-SiO2界面质量198
7.6.4H2/D2退火199
7.6.5后道工艺199
7.6.6等离子体诱导损伤的影响200
7.6.7硼渗透200
7.6.8接触刻蚀截止层的效果200
7.6.9Si衬底取向的影响201
7.7动态负偏置温度不稳定性202
7.8工艺认定实践202
参考文献204
第8章等离子体诱导损伤212
8.1引言212
8.2等离子体诱导损伤机制214
8.2.1等离子体密度214
8.2.2晶圆上等离子